一种海岛配电线路引流线运行失效评估方法与流程

1.本发明涉及海岛环境下配电线路引流线状态监测技术领域，尤其是涉及一种海岛配电线路引流线运行失效评估方法。


背景技术：

2.相较内陆地区，海岛具有特殊的地理气象环境，主要表现为强风速、重盐雾、大湿度等环境特性。特别地，由于海岛空气中的盐雾含量较高，每年因盐雾腐蚀及强风袭扰而导致海岛配电网设备的绝缘老化、性能退化程度显著加剧。因此对海岛配电线路设备进行可靠的状态检测，可以有效实现对设备的健康管理，进而提高海岛配电网的运行稳定。
3.引流线作为配电设备中的一员，其在配电线路中承担着重要的作用。引流线运行在海岛强风速、强腐蚀环境中，其机械性能、电气性能受到严重的损害，主要呈现的故障形式为：引流线发热、断线及断线后引流线摆动造成相间短路故障。据统计，2016年至2019年期间浙江舟山配电网共发生300多起配电网电气设备故障，而因引流线故障导致配电线路故障停电占故障总数的60％以上。因此，对海岛典型环境下的配电线路引流线进行失效评估尤为重要。
4.而现有对引流线的故障研究主要集中在：引流线受风荷载力长期作用而产生的振荡断股、引流线腐蚀老化和舞动断线故障、考虑气象灾害影响的引流线故障预警三方面。有通过搭建引流线摆动疲劳试验平台研究分析引流线受风荷载力作用而产生的疲劳断裂特性，但若仅从引流线风荷载试验角度出发，则未与实际的运行环境结合，尤其未考虑海岛特有的强风速、强腐蚀环境的影响，具有较大的局限性。有研究运用气象系数法对内陆环境下的引流线受风荷载影响进行分析，有的利用数据驱动方式对强风环境下引流线运行失效进行预测。但是这些研究缺乏多环境场景的考虑，且缺少对海岛环境下的引流线运行状态进行检测分析。


技术实现要素：

5.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种海岛配电线路引流线运行失效评估方法。
6.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
7.一种海岛配电线路引流线运行失效评估方法，该方法包括如下步骤：
8.s1：获取海岛配电线路故障引流线样本的故障频率、故障持续时间和失电负荷，将三者构成历史故障数据集。
9.s2：对历史故障数据集进行降维处理，获取历史故障数据集的二维矩阵。
10.进一步地，采用kpca
‑
kmeans方法对历史故障数据集进行降维处理。具体步骤包括：
11.21)将历史故障数据集{y}构成高维矩阵y＝[y1，y2，y3]，y1，y2，y3分别为海岛配电线路故障引流线样本的故障频率、故障持续时间和失电负荷，并通过映射φ得到高维特征
像l
i
，i＝1，2，3；
[0012]
22)对l
i
按下式求解新目标：
[0013][0014]
式中，w
i
为投影的超平面；λ
i
为的特征值；m＝3。
[0015]
23)采用核函数sigmoid函数实现映射φ：
[0016][0017]
式中，tanh为双曲正切函数；j为i在超平面w
i
对应的数值，j＝i＝1，2，3；β和μ为常数，取β＝3，μ＝11.16；
[0018]
24)通过sigmoid函数对22)新目标进行简化得：
[0019]
kα
ij
＝λ
j
α
ij
[0020]
式中，k为sigmoid函数对应的核矩阵，k
ij
＝sigmoid(y
i
,y
j
)，α
ij
为平面i对应超平面j的α，其在数值上与α
i
相等，λ
j
在数值上与λ
i
相等；
[0021]
25)将原数据矩阵y＝[y1，y2，y3]降成二维得到矩阵[z]，则第n(n＝1，2)维的坐标为：
[0022][0023]
s3：对历史故障数据集的二维矩阵进行聚类，将故障引流线样本初步划分得到三类故障区域，并以各区域故障频率、故障持续时间和失电负荷之和作为判据，得到三类故障程度依次递减的故障分区。具体内容为：
[0024]
31)设定聚类簇数为3，随机选择初始均值向量c，(c∈[z])；
[0025]
32)通过距离计算公式：d＝||z
′‑
c||，对矩阵[z]内的其它组各组向量z
′
与c的距离进行求取；
[0026]
33)设定迭代次数，并不断从矩阵[z]内选择新的均值向量c进行迭代更新，迭代次数完成后，按照最终的故障引流线样本聚类分区结果得到初步划分的三类故障分区；
[0027]
34)此时依据每个故障分区内所有的故障引流线样本集的故障频率y1和故障持续时间y2，对其进行数值上的求和y1 y2，按照数值大小排序得到故障程度依次递减的三类故障分区：s1、s2、s3。
[0028]
s4：选取各故障分区内故障频率数值最高的故障引流线为典型代表，若存在故障频率相等的故障引流线样本，则按顺序比较故障持续时间、失电负荷的数值大小进行选取。
[0029]
s5：通过海岛配电线路数据采集系统scada采集典型故障引流线样本的风速、沿线风向、引流线温度、日照辐射强度、环境温度、盐雾度和相对湿度，构成历史环境数据集。
[0030]
s6：以历史环境数据集为基础，结合典型故障引流线样本的风速、沿线风向，通过海岛引流线风荷载失效计算公式及极值i型概率分布函数求取海岛配电线路引流线风荷载失效概率。具体内容为：
[0031]
61)依据海岛引流线运行实况，对配电网架空导线风荷载标准值的计算公式进行
改进，将计算公式与风速、沿线风向进行关联，得到海岛配电线路引流线风荷载计算公式：
[0032]
w
x
＝αμ
s
μ
z
dl
w
v
2 sin2θ/1600
[0033]
式中，α为风荷载档距系数；v为风速；θ为沿线风向，其相应的数值在历史环境数据集中；μ
z
为风压高度变化系数；l
w
为风力档距；μ
s
为风荷载体型系数；
[0034]
62)根据海岛实际状况，设置步骤61)的改进公式的具体参数，得到海岛配电线路引流线风荷载最终计算公式；
[0035]
63)在得到海岛环境下引流线风荷载值w
x
后，使用极值i型概率分布对引流线风荷载失效概率p
f
计算：
[0036][0037]
式中，σ
x
为风荷载标准差；a为极值i型分布的尺度参数；w
x
为风荷载；u
x
为设计风荷载；u为极值i型分布的位置参数。
[0038]
s7：结合采集典型故障引流线样本的引流线温度，求取海岛配电线路引流线温升失效概率。
[0039]
进一步地，通过arrhenius引流线寿命
‑
温升计算方法及威布尔概率分布函数求取海岛配电线路引流线温升失效概率。具体步骤包括：
[0040]
71)基于arrhenius引流线寿命
‑
温升计算方法，公式如下：
[0041][0042]
式中，l(θ)为可量化的平均寿命；θ
y
为引流线温度，相应的数值在历史环境数据集{中；a和b为经验常数；
[0043]
72)依据步骤71)对l(θ)的求解方法，采用威布尔概率分布对海岛配电线路引流线温升失效概率p
w
进行求解：
[0044][0045]
式中，t为引流线已运行时长；β
s
为形状参数。
[0046]
s8：将海岛配电线路引流线风荷载失效概率和海岛配电线路引流线温升失效概率进行加权求和，得到引流线的运行失效概率。
[0047]
将海岛配电线路引流线风荷载失效概率p
f
和温升失效概率p
w
进行加权相加，计算得到引流线的运行失效概率p，并以二倍标准风荷载为破坏依据，当风荷载超过二倍标准风荷载时，引流线遭受强瞬时破坏导致损坏；海岛配电线路引流线运行失效概率p的计算式为：
[0048][0049]
式中，w
x
为实际风荷载；w
d
为标准风荷载；k
f
、k
w
分别为风荷载、温升权重系数。
[0050]
s9：通过熵权法对典型故障引流线样本的日照辐射强度、环境温度、盐雾度和相对湿度进行权值求取，并使用修正系数计算方法求解失效修正系数，以该失效修正系数与引
流线的运行失效概率相乘的方式修正引流线的运行失效概率，进而得到海岛配电线路引流线综合运行失效指标。具体步骤包括：
[0051]
91)采用熵权法求取日照辐射强度x4、环境温度x5、盐雾度x6和相对湿度x7共四个环境变量的权值ω
j
，j＝1，2，3，4：
[0052][0053]
式中，ω
j
为熵权值；e
j
为信息熵；m＝4；
[0054]
92)将日照辐射强度x4、环境温度x5、盐雾度x6和相对湿度x7在历史环境数据集{x}中的数值构成矩阵x＝[x1,x2,x3,x4]，并构建相应的权值矩阵ω＝[ω1,ω2,ω3,ω4]，按下式计算综合评分基准：
[0055][0056][0057]
式中，w
max
、w
min
分别为基准综合评分最大值和最小值；x
max,i
、x
min,i
分别为变量数值的上下界；m＝4；
[0058]
93)计算综合故障评分值：
[0059]
94)计算失效修正系数δ：
[0060][0061]
95)通过失效修正系数δ与海岛配电线路引流线运行失效概率p相乘，修正海岛配电线路引流线运行失效模型，得到u：
[0062][0063]
式中，w
x
为实际风荷载；w
d
为标准风荷载；p
f
为海岛配电线路引流线风荷载失效概率；p
w
为海岛配电线路引流线温升失效概率。
[0064]
s10：以海岛配电线路引流线综合运行失效指标作为海岛配电线路引流线运行失效评估依据，对引流线的运行状态进行评估。具体地：
[0065]
根据获取的海岛配电线路引流线综合运行失效指标u进行判断，若u＜30％，则判断引流线运行状况良好，正常运行情况下不会失效；若30％≤u＜60％，则判断引流线运行状况一般，正常运行情况下不易失效；若60％＜u，则判断引流线运行状况较差，极易发生运行失效状况。
[0066]
本发明提供的海岛配电线路引流线运行失效评估方法，相较于现有技术至少包括如下有益效果：
[0067]
一、本发明充分考虑海岛微气候环境对配电线路引流线运行失效会产生不同程度的故障影响，使用kpca
‑
kmeans方法对历史故障数据集进行聚类处理，并以各区域故障频率、故障持续时间、失电负荷的和值大小为判据，得到三类故障程度依次递减的故障分区；且以故障频率为依据，取得各分区内具有代表性的故障引流线，进而减少了计算、评估的工作量，保证评估的典型、准确性。
[0068]
二、本发明依据海岛环境下配电线路引流线运行实际状况，以海岛配电线路引流线风荷载失效概率结合温升失效概率求取海岛引流线的运行失效概率；该方法是引流线在海岛环境下运行状况的体现，具有较好的评估效果。
[0069]
三、本发明通过对日照辐射强度、环境温度、盐雾度、相对湿度进行失效系数求解，以失效系数与海岛引流线的运行失效概率相乘的方式修正引流线的运行失效概率，进而得到海岛配电线路引流线的综合运行失效指标；以该指标为评价依据，可有效提高评估的准确性，取得较好的效益。
附图说明
[0070]
图1为实施例中海岛配电线路引流线运行失效评估方法的流程示意图；
[0071]
图2为实施例中引流线综合运行失效指标u的评估示意图。
具体实施方式
[0072]
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
[0073]
实施例
[0074]
本发明涉及一种海岛配电线路引流线运行失效评估方法，该方法通过统计海岛配电线路故障引流线样本的故障频率y1、故障持续时间y2、失电负荷y3构成历史故障数据集{y}，使用kpca
‑
kmeans方法对{y}进行聚类处理，初步划分得到3类故障区域，并以各区域y1 y2 y3的数值大小为判据，得到3类故障程度依次递减的故障分区s1、s2、s3；取各故障分区内y1数值最高的故障引流线为典型代表(若存在y1相等的故障引流线样本，则按顺序比较y2、y3的数值大小进行选取)，通过海岛配电线路数据采集系统scada采集典型故障引流线样本集的风速x1、沿线风向x2、引流线温度x3、日照辐射强度x4、环境温度x5、盐雾度x6、相对湿度x7构成历史环境数据集{x}；以历史环境数据集{x}为基础，结合x1、x2通过海岛引流线风荷载失效计算公式及极值i型概率分布函数求取引流线的风荷载运行失效概率p
f
；结合x3通过arrhenius引流线寿命
‑
温升计算公式及威布尔概率分布函数求取引流线的温升失效概率p
w
；将p
f
和p
w
进行加权求和得到引流线的运行失效概率p；通过熵权法对x4、x5、x6、x7进行权值求取，并使用修正系数计算方法求解失效修正系数δ；以δ与p相乘的方式修正引流线的运行失效概率，进而得到海岛配电线路引流线综合运行失效指标u；以u为海岛配电线路引流线运行失效的评估依据，如果u＜30％，则引流线运行状况良好，正常运行情况下不会失效；如果30％≤u＜60％，则引流线运行状况一般，正常运行情况下不易失效；如果60％＜u，则引流线运行状况较差，极易发生运行失效状况。
[0075]
本发明海岛配电线路引流线运行失效评估方法的主要原理为：一、使用kpca
‑
kmeans聚类方法，以故障引流线的故障频率y1、故障持续时间y2、失电负荷y3构成的历史故障数据集{y}为基础进行聚类，并以各区域y1 y2 y3的数值大小为判据划分得到3类故障程度依次递减的故障分区s1、s2、s3，缩小了计算的范围、使得引流线失效评估具有典型性。二、从海岛典型强风速、强腐蚀场景对引流线的风应力机械损坏及腐蚀温升电气损坏角度出发，通过求取引流线的风荷载运行失效概率p
f
和温升失效概率p
w
，并做加权相加得到引流线失效概率p。三、在求取海岛x4、x5、x6、x7的权值基础上，通过求取修正系数δ，以δ与p相乘的方式修正引流线的运行失效概率，得到海岛配电线路引流线综合运行失效指标u。四、以综合运行失效指标u为评估标准：如果u＜30％，则引流线运行状况良好，正常运行情况下不会失效；如果30％≤u＜60％，则引流线运行状况一般，正常运行情况下不易失效；如果60％＜u，则引流线运行状况较差，极易发生运行失效状况，需要重点关注。
[0076]
本发明海岛配电线路引流线运行失效评估方法具体包括如下步骤内容：
[0077]
步骤一、统计海岛配电线路故障引流线样本的故障频率y1、故障持续时间y2、失电负荷y3构成历史故障数据集{y}。
[0078]
步骤二、使用kpca
‑
kmeans方法，在kpca中设定主成分个数为2，并对{y}进行降维处理，将三维变量矩阵[y1、y2、y3]降维得到二维矩阵[z]。此时，该二维矩阵中的变量有2个，命名为：主成分1、主成分2。具体实现kpca降维包括如下步骤：
[0079]
21)将历史故障数据集{y}构成高维矩阵y＝[y1，y2，y3]，并通过映射φ得到高维特征像l
i
，i＝1，2，3。
[0080]
22)对l
i
求解新目标：
[0081][0082]
式中，w
i
为投影的超平面；λ
i
为的特征值；m＝3。
[0083]
23)采用核函数sigmoid函数实现映射φ：
[0084][0085]
式中，tanh为双曲正切函数；j为i在超平面w
i
对应的数值，j＝i＝1，2，3；β和μ为常数，取β＝3，μ＝11.16。
[0086]
24)通过sigmoid函数对22)新目标进行简化得：
[0087]
kα
ij
＝λ
j
α
ij
[0088]
式中，k为sigmoid函数对应的核矩阵，k
ij
＝sigmoid(y
i
,y
j
)，α
ij
为平面i对应超平面j的α，其在数值上与α
i
相等，λ
j
在数值上与λ
i
相等。
[0089]
25)将原数据矩阵y＝[y1，y2，y3]降成二维得到矩阵[z]，则第n(n＝1，2)维的坐标为：
[0090][0091]
步骤三、在降维得到二维矩阵[z]后，通过kmeans对二维矩阵[z]进行聚类，初步将故障引流线样本集划分为3类故障分区。进一步，以各区域y1 y2 y3的数值大小为判据，得到
3类故障程度依次递减的故障分区s1、s2、s3。具体的聚类划分内容包括：
[0092]
31)设定聚类簇数为3，随机选择初始均值向量c，(c∈[z])。
[0093]
32)通过距离计算公式：d＝||z
′‑
c||，对矩阵[z]内的其它组各组向量z
′
与c的距离进行求取。
[0094]
33)设定迭代次数为100次，并不断从矩阵[z]内选择新的均值向量c进行迭代更新(即每次迭代都选择计算距离最短的划分结果)。迭代次数完成后，按照最终的故障引流线样本聚类分区结果得到初步划分的3类故障分区。
[0095]
34)此时依据每分区内所有的故障引流线样本集的故障频率y1、故障持续时间y2，对其进行数值上的求和y1 y2，按照数值大小排序进而得到故障程度依次递减的3类故障分区：s1、s2、s3。
[0096]
步骤四、在聚类划分得到3类故障程度依次递减的故障分区s1、s2、s3后，选取各故障分区内故障频率最高的故障引流线为典型代表，若存在故障频率相等的故障引流线样本，则按故障持续时间、失电负荷的数值大小依次进行比较选取，最终能够得到3类故障分区内的3个典型故障引流线。
[0097]
步骤五、通过海岛配电线路数据采集系统scada采集典型故障引流线样本的风速x1、沿线风向x2、引流线温度x3、日照辐射强度x4、环境温度x5、盐雾度x6、相对湿度x7构成历史环境数据集{x}。
[0098]
步骤六、以历史环境数据集{x}为基础，考虑海岛强风速环境对引流线的影响，取其中的故障引流线样本的风速x1、沿线风向x2，通过海岛引流线风荷载失效计算公式及极值i型概率分布函数求取海岛配电线路引流线风荷载失效概率p
f
，具体步骤如下：
[0099]
61)配电网架空导线风荷载标准值的计算公式：
[0100]
w
x
＝αμ
s
dl
w
w
o
[0101]
式中，w
x
为导线风荷载的标准值；α为风荷载档距系数；d为导线计算直径；l
w
为风力档距；μ
s
为风荷载体型系数；w
o
为基准风压标准值。
[0102]
62)依据海岛引流线运行实况，对61)计算公式进行改进，将计算公式与风速、沿线风向进行关联，得到海岛配电线路引流线风荷载计算公式：
[0103]
w
x
＝αμ
s
μ
z
dl
w
v
2 sin2θ/1600
[0104]
式中，v为风速，θ为沿线风向，其相应的数值在历史环境数据集{x}中；μ
z
为风压高度变化系数。
[0105]
63)根据海岛实际状况，设置62)改进公式的具体参数：取α＝0.85，d＝9.5mm，l
w
＝0.6，μ
s
＝1.2，μ
z
＝1.38。则得到海岛配电线路引流线风荷载最终计算公式：
[0106]
w
x
＝4.982904
×
10
‑3v2sin2θ
[0107]
64)在得到海岛环境下引流线风荷载值w
x
后，使用极值i型概率分布对引流线风荷载失效概率p
f
计算：
[0108][0109]
式中，σ
x
为风荷载标准差，取σ
x
＝1；a为极值i型分布的尺度参数，取a＝2；w
x
为风荷载；u
x
为设计风荷载，取u
x
＝3.114；u为极值i型分布的位置参数，取u＝0.5。
[0110]
步骤七、考虑海岛强腐蚀环境对引流线升温运行的影响，取历史环境数据集{x}中
的引流线温度x3数据，通过arrhenius引流线寿命
‑
温升计算方法及威布尔概率分布函数求取海岛配电线路引流线温升失效概率p
w
，具体步骤如下：
[0111]
71)使用arrhenius引流线寿命
‑
温升计算方法，公式如下：
[0112][0113]
式中，l(θ)是可量化的平均寿命；θ
y
为引流线温度，相应的数值在历史环境数据集{x}中；a和b是经验常数，取a＝50，b＝23。
[0114]
72)依据71)对l(θ)的求解方法，使用威布尔概率分布对p
w
进行求解：
[0115][0116]
式中，t为引流线已运行时长；β
s
为形状参数，取β
s
＝1.25。
[0117]
步骤八、将海岛配电线路引流线风荷载失效概率p
f
和温升失效概率p
w
进行加权相加，计算得到引流线的运行失效概率p。并以2倍标准风荷载为破坏依据，当风荷载超过2倍标准风荷载时，引流线遭受强瞬时破坏导致损坏。海岛配电线路引流线运行失效概率p计算如下所示：
[0118][0119]
式中，w
x
为实际风荷载；w
d
为标准风荷载；k
f
、k
w
分别为风荷载、温升权重系数；依据海岛引流线运行实况，取k
f
＝0.65，k
w
＝0.35。
[0120]
步骤九、通过熵权法对日照辐射强度x4、环境温度x5、盐雾度x6、相对湿度x7进行权值求取，并使用修正系数计算方法求解失效修正系数δ，以δ与p相乘的方式修正引流线的运行失效概率，进而得到海岛配电线路引流线综合运行失效指标u，具体步骤如下所示：
[0121]
91)使用熵权法求取日照辐射强度x4、环境温度x5、盐雾度x6、相对湿度x7共4个环境变量的权值ω
j
(j＝1，2，3，4)：
[0122][0123]
式中，ω
j
为熵权值；e
j
为信息熵；m＝4。
[0124]
92)将日照辐射强度、环境温度、盐雾度、相对湿度在历史环境数据集{x}中的数值构成矩阵x＝[x1,x2,x3,x4]，并构建相应的权值矩阵ω＝[ω1,ω2,ω3,ω4]。计算综合评分基准：
[0125][0126][0127]
式中，w
max
、w
min
分别为基准综合评分最大值和最小值；x
max,i
、x
min,i
分别为变量数值
的上下界；m＝4。
[0128]
93)计算综合故障评分值：
[0129]
94)计算失效修正系数δ：
[0130][0131]
95)通过δ
×
p修正海岛配电线路引流线运行失效模型，得到u：
[0132][0133]
步骤十、以u作为海岛配电线路引流线运行失效评估依据，对引流线的运行状态进行评估：如果u＜30％，则引流线运行状况良好，正常运行情况下不会失效；如果30％≤u＜60％，则引流线运行状况一般，正常运行情况下不易失效；如果60％＜u，则引流线运行状况较差，极易发生运行失效状况。
[0134]
本发明充分考虑海岛微气候环境对配电线路引流线运行失效会产生不同程度的故障影响，使用kpca
‑
kmeans方法对历史故障数据集{y}进行聚类处理，并以各区域y1 y2 y3的数值大小为判据，得到3类故障程度依次递减的故障分区s1、s2、s3；且以故障频率y1为依据，取得各分区内具有代表性的故障引流线，进而减少了计算、评估的工作量，保证评估的典型、准确性。
[0135]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。